混凝土徐变的理论研究综述

刘宝兴 刘志刚

1苏州科技学院土木工程学院（215011） 2青岛正商置业有限公司（266000）

混凝土是一种人造复合材料,该特性决定了混凝土比其它单一性结构材料的力学性能更复杂。所谓徐变是指混凝土结构在持续荷载的长期作用下,其变形将随时间不断增加的现象。从19世纪第一次观测到混凝土的收缩和1907年Hatt首先发现混凝土的徐变至今,国内外一大批研究专家和学者对这一课题进行了长期的研究，虽然已经取得了一些重要的成绩，但由于混凝土徐变机理十分复杂且影响因素众多,故混凝土的徐变问题还远没有被完全掌握[1]。

1 对混凝土徐变的认识过程

19世纪20年代,随着波特兰水泥在英国的出现，从此混凝土结构在世界范围内得到了迅猛的发展和快速应用。然而，直到20世纪初，人们对混凝土的徐变现象才有了初步的认识，直到20世纪30年代才开始对它的系统研究，应用于实际结构则更晚[2]。1907年，美国材料试验学会首先报道了钢筋混凝土梁的徐变资料。1917年，史密斯在美国混凝土学会（ACI）杂志上发表了混凝土徐变及徐变恢复的试验成果,直到1931年戴维斯等人对混凝土的徐变性能进行了系统的研究之后，才对徐变性能有了较明确的认识[3]。经过试验研究取得的资料积累与几十年的工程实践经验，人们对混凝土的徐变研究工作已经取得了很大的进展。

2 混凝土的徐变机理

曾有不少学者提出各种理论和假设来说明混凝土徐变的机理，但迄今为止还没有一种理论能完全解释混凝土的徐变现象[4]。通常认为在应力不大的情况下，混凝土凝结硬化后，骨料之间的水泥浆，一部分为完全弹性结晶体，另一部分是填充在晶体间的凝胶体。在施加荷载的瞬间，结晶体与凝胶体共同承受荷载，随着时间的推移，凝胶体由于黏性流动而逐渐卸载，此时结晶体承受更多的力并产生弹性变形。在应力较大的作用条件下，混凝土内部微裂缝在荷载长期作用下不断发展和增加，也是导致混凝土徐变变形的原因[5]。

解释混凝土徐变机理的理论很多，这些理论主要有渗出理论、黏弹性理论、黏性流动理论、塑性流动理论、微裂缝理论以及内力平衡理论等[3]。其中有些理论由于提出的时间较早，经过时间的检验不能消除各自的缺点和不足,如今已很少提及。以下就认可度比较普遍的黏性流动理论、塑性流动理论和微裂缝理论分别进行阐述。

2.1 黏性流动理论

黏性流动理论[6]由托马斯在1937年首先提出。他认为∶混凝土可分为两部分，一部分为荷载作用下产生黏性流动的水泥浆体，另一部分为荷载作用下不发生流动的惰性骨料。当混凝土受荷载时，水泥浆体的流动受到骨料的阻碍，结果骨料承受到较高的应力,而水泥浆体受到的应力随时间而减小。由于水泥浆体的徐变和加荷应力成正比，因此，随着加荷应力从水泥浆体逐渐转移到骨料来承受，从而徐变速率将逐渐减小。

2.2 塑性流动理论

该理论[3]认为，混凝土徐变与金属材料晶格滑动的塑性变形极为相似。当加荷应力超过金属材料的屈服点后，塑性变形就会发生。实用的晶格滑动理论是在1939年由格拉维尔等人建立的,他们认为,在低应力作用下混凝土的徐变是黏性流动，但在高应力作用下，混凝土的徐变则是塑性流动。

2.3 微裂缝理论

微裂缝理论[3]认为，在多相混凝土组成材料的界面上，受荷之前黏结微裂缝就已经存在。在正常应力范围内，裂缝界面通过摩擦传递荷载，微裂缝仅增加一些徐变。当荷载超过正常工作应力时，界面上黏结微裂缝就会扩展并产生新的裂缝；当荷载续增加，还会产生少量穿越骨料的裂缝，最后各种裂缝迅速发展并逐渐贯通。

3 影响混凝土徐变的主要因素

3.1 水泥

水泥品种本身对混凝土徐变的直接影响很小，水泥品种对徐变的影响主要表现为它对混凝土强度有影响。苏联学者沙塔林曾进行水泥熟料矿物组成对混凝土徐变的影响试验[7]，该试验发现水泥熟料中硅酸二钙（C2S）和硅酸三钙(C3S)的含量对混凝土徐变影响较大,徐变随C2S含量的增加而增大，随C3S含量的增加而减小。

3.2 骨料

通常认为混凝土中的骨料是惰性的，一般不参与徐变过程,但其对水泥石的变形有约束作用，约束的程度取决于骨料的刚度和其所占混凝土体积的百分比。骨料的刚度和体积含量越大，混凝土的徐变量就越小。骨料的孔隙率也影响混凝土的徐变，孔隙率越大，徐变也越大[8]。

3.3 水灰比

水灰比[3]是影响混凝土徐变的主要因素。水灰比大的混凝土，水泥颗粒间距大、孔隙多，徐变就大。瓦格纳的研究结果表明，水灰比在0.4~0.6范围内,徐变与水灰比成线性关系;但水灰比在0.35~0.85范围内，徐变与水灰比成曲线关系。原苏联学者乌里茨基等人认为，混凝土极限徐变度和水灰比的平方成正比，即为比例常数与混凝土中的水泥用量有关。

3.4 加荷龄期

混凝土徐变随加荷龄期的增长而减小。在早龄期，由于水泥水化正在进行，强度较低，故徐变很大。随着龄期的增长，水泥不断水化，强度也不断提高，故晚龄期徐变较小[3]。

3.5 相对湿度

相对湿度[3]是影响混凝土徐变的最重要的外部因素之一。对于给定的混凝土，周围环境的相对湿度越低，徐变越大。混凝土徐变随相对湿度的增加而减小;而徐变速率随相对湿度的降低而增大，但在两年之后，徐变速率与相对湿度基本无关。

4 结语

国内外对于混凝土徐变的研究已历时多年，各种影响因素、产生机理也都有了一定的研究。本文总结了国内外学者和科研机构所提出的各种混凝土徐变机理理论，在此基础上讨论了影响混凝土徐变的多种因素。由上述分析得出，现今混凝土徐变机理理论尚不完善，急需一种机理理论来解释混凝土的徐变现象。随着力学和计算机技术的不断发展，相信通过大量的试验和研究，会找到更好的徐变机理理论。

[1]卓旬,梅明荣.混凝土徐变计算理论和方法综述[J].水利与建筑工程学报,2012,10(2):14~19.

[2]任志国.浅谈混凝土徐变[J].四川建材,2011,37(5):27~29.

[3]黄国兴,惠荣炎,王秀军.混凝土徐变与收缩[M].北京:中国电力出版社,2011,11.

[4]苏永章,刘文博,杨高平.浅析混凝土裂缝成因及控制[J].河南建材,2011(6):117~118.

[5]程文瀼,颜德姮,王铁成等.混凝土结构设计原理(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2008:18~21.

[6]姚炎炎.混凝土徐变问题分析[J].广东建材,2010(3):41~44.

[7]刘数华,冯安勇.混凝土的徐变研究综述[J].红水河,2006,25(3):118~120.

[8]侯爵.混凝土徐变的影响因素分析[J].科技信息,2011(35):232~233.